关于吉布斯函数在无机化学教学中串联作用的探讨.docx

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关于吉布斯函数在无机化学教学中串联作用的探讨

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关于吉布斯(Gibbs)函数在无机化学教学中串联作用的探讨

1引言

无机化学是四大基础化学之一,是化学及相关专业入门必修基础课程。内容包含气体、热化学、化学动力学基础、化学平衡(含溶液四大平衡)、电化学、物质结构和元素化学,相比中学化学知识,大学无机化学最大的不同是引入了热化学知识,如何将热化学知识与其他知识点联系起来成为教学中的一个难点,本文以热力学中吉布斯(Gibbs)函数为桥梁,将热力学与化学平衡及电化学知识点串联起来,形成一个系统的学习体系,促进无机化学知识点的融合。

2吉布斯(Gibbs)函数的基本概念

吉布斯函数G又被称为Gibbs自由能,由著名美国理论物理学家J.W.Gibbs(1839~1903)最先提出,其定义式如下[1]:G≡H—TS

H,T,S都是状态函数,G也是状态函数,并且与H有相同的量纲。定义式中H在热力学里面称为焓,ΔH为焓变。在热化学中ΔH=QP,表明:在定压和不做非体积功的过程中,封闭体系从环境所吸收的热等于体系焓的增加。ΔH0表示体系放热,是体系自发动力之一。T是热力学温度(单位为K),T=t℃+273.15。S表示熵,是用来描述体系内部的混乱度。体系变化过程中,混乱程度增加(ΔS0)是自发趋向。体系的自由能变ΔG=ΔH-TΔS综合ΔH和ΔS这两个自发动力,热力学第二定律认为等温、定压且体系不做非体积功条件下:

ΔG0,正向过程自发进行;

ΔG0,正向过程不可能自发,逆向过程自发进行;

ΔG=0,体系处于平衡状态。

在定温定压下的可逆过程中,自由能变ΔG等于体系所做最大非体积功:ΔG=Wmax

热化学重点研究化学反应过程的热力学函数的变化,下面我们利用化学反应过程中的标准摩尔吉布斯函数变ΔrG■■(T)串联化学平衡和电化学的各知识点。

3ΔrG■■(T)的十字关系图[2-6]

3.1吉布斯—亥姆霍兹(Gibbs—Helmhotz)公式

①式为吉布斯—亥姆霍兹(Gibbs—Helmhotz)公式,是热化学计算ΔrG■■(T)最经典的方法。由公式可知ΔrG■■(T)受温度T影响很明显,相对来说,不少化学反应的ΔrH■■(T)和ΔrS■■(T)随温度变化的改变值却很小。在无机化学中一般不考虑温度对ΔrH■■(T)和ΔrS■■(T)的影响。因此利用公式吉布斯—亥姆霍兹(Gibbs—Helmhotz)公式可以计算不同温度下的ΔrG■■(T),进一步判断标准状态下不同温度时反应自发进行的方向。

3.2化学等温方程式

②式为化学等温方程式,ΔrG■■(T)是非标准状态下的吉布斯自由能变,Q为化学反应的反应商。利用此公式可以计算非标准状态下化学反应的吉布斯自由能变,从而可判断非标准状态下反应自发进行的方向。

3.3ΔrG■■(T)与化学平衡的关系

③式是通过②式化学等温方程式推导而来:

ΔrG■■(T)=ΔrG■■(T)+RTInQ

当反应达到平衡时:ΔrG■■(T)=0,Q=K■,

ΔrG■■(T)=-RTInK■(T)

③式将热化学与化学平衡很好的串联了起来,将这两个知识点连成了线。

3.4ΔrG■■(T)与电化学的关系

在电化学中,可逆电池在定温定压所做的最大电功为:Wmax=-nFε

若反应进度为1mol,ΔrG■■=Wmax=-nFε

在标准状态下时:ΔrG■■(T)=-nFεθ

此式将热化学与电化学串联起来,进而将热化学、平衡常数和电动势知识点连成了线。

3.5ΔrG■■(T)的串联作用

通过ΔrG■■(T)的十字关系图,以ΔrG■■(T)为桥梁,可以进一步推导出其他重要的公式。

3.5.1范霍夫(van,tHoff)方程式。将十字关系图中的①式和③式结合起来,可得到:

-RTlnK■(T)=ΔrH■■(T)-TΔrS■■(T)

lnK■(T)=-■+■

此式是热化学中十分重要的关系式之一,称为范霍夫(van,tHoff)方程式。此式表示了温度对化学平衡的影响,严格地说,ΔrH■■(T)和ΔrS■■(T)与温度有关,但是在温度变化范围不大,物质本身又无相变发生的情况下,可以近视地将ΔrH■■(T)和ΔrS■■(T)看作与温度无关,认为:ΔrH■■(T)≈ΔrH■■(298K),ΔrS■■(T)≈ΔrS■■(298K)。则当温度分别为T1、T2时如下。

T1时,lnK■(T1)=-■+■

T2时,lnK■(T2)=-■+■

两式相减,得

ln■=■■

如果反应是液体气化的过程:H2O(1)=H2O(g)

反应的标准平衡常数K■=p(H2O)/P■,即等于平衡时气体的相对

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